EP2909921A2 - Läuferanordnung für eine permanentmagneterregte elektrische maschine - Google Patents

Läuferanordnung für eine permanentmagneterregte elektrische maschine

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Publication number
EP2909921A2
EP2909921A2 EP13774399.3A EP13774399A EP2909921A2 EP 2909921 A2 EP2909921 A2 EP 2909921A2 EP 13774399 A EP13774399 A EP 13774399A EP 2909921 A2 EP2909921 A2 EP 2909921A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
permanent magnet
magnetization
arrangement
rotor
rotor assembly
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13774399.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Steven Andrew Evans
Jochen Geissler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2909921A2 publication Critical patent/EP2909921A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H02K1/2766—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect
    • H02K1/2773—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect consisting of tangentially magnetized radial magnets

Definitions

  • the present invention relates to permanent magnet excited electrical machine, in particular a rotor assembly for such an electric machine.
  • Rotor arrangements are known from the state of the art, which have pole pieces which provide a field magnet field generated by permanent magnets in the direction of an air gap to a stator arrangement.
  • the permanent magnets are arranged with their polar direction parallel to the direction of movement of the rotor, so that the pole pieces of the rotor arrangement are located between the permanent magnets.
  • the magnetic field emitted by the permanent magnets is deflected in the direction of the air gap.
  • Such types of rotor assemblies are nowadays used in many permanent magnet-excited electric machines, for example in steering assistance and in cooling devices.
  • substantially parallelepiped-shaped permanent magnets are used, which are simple and can be produced with little effort, with a magnetization anisotropy and a magnetization direction rectified in the direction of the movement of the rotor being aligned.
  • such an arrangement of the permanent magnets is referred to as a spoke arrangement.
  • the polar direction of the permanent magnets runs in the tangential direction.
  • An advantage of such rotor arrangements is that, by suitable dimensioning, an air gap flux density which is greater than the remanent flux density of the permanent magnets used can be achieved. Since the air gap flux density decisively determines the torque density of the electric machine, powerful electric machines with relatively high torque densities can be built thereby.
  • the number of permanent magnets in the rotor is chosen such that its radial width is greater than the tangential width of the pole shoes between the permanent magnets.
  • This arrangement concentrates the magnetic flux into the air gap to produce an air gap flux density that is higher than the remanent flux density of the permanent magnets.
  • the above rotor arrangements are often constructed in combination with permanent magnets of simple, inexpensive magnetic material, in particular magnetic material without rare earth compounds and with relatively low remanence flux density, such as, for example, permanent magnets of sintered ferrite materials of the sixth generation.
  • permanent magnets made of sintered ferrite materials have a relatively low coercive force, so that there is a risk of demagnetization in the case of an opposing magnetic field of sufficiently high field strength.
  • the permanent magnets are made relatively thick in the direction of their material anisotropy and their magnetization to make them more resistant to demagnetization by the stator field of the electric machine.
  • the permanent magnets thus arranged are often twice as thick (in poling direction) as permanent magnets made of ferrite material with their polar direction parallel to the air gap magnetic field, the design only an air gap in their respective flow path exhibit.
  • rotary electric machines with a certain rotor diameter and a predetermined number of poles leads at a
  • a rotor assembly for an electrical machine comprising:
  • An idea of the above rotor arrangement is to provide the permanent magnet with a direction of magnetization different from the arrangement direction, at least in a demagnetization region in which demagnetization of the permanent magnet may occur by the action of a stator magnetic field of a stator assembly.
  • the magnetization of the permanent magnet no longer completely, but only partially precludes the demagnetizing stator magnetic field. Since the direction of magnetization of the permanent magnet deviates in the direction of demagnetization from the direction parallel to the opposing stator magnetic field, a correspondingly reduced demagnetization is effected. This makes it possible for the effect of the demagnetization effect to be weakened in the demagnetization region in which irreversible demagnetization can occur in the case of permissible stator magnetic fields.
  • the permanent magnet is constructed in such a way that a change in direction of the magnetization is provided in the demagnetization region or zones.
  • the magnetization direction is expedient for the magnetization direction to be deflected at least partially in the direction of the air gap. This makes it possible that the deflected magnetization of the permanent magnet contributes in addition to the air gap flux.
  • the profile of the magnetization in the second section of the permanent magnet may correspond to a Halbach magnetization, so that pole faces extend over a plurality of sides of the permanent magnet.
  • the second section is provided at two opposite ends of the permanent magnet in an extension direction transverse to the magnetization direction of the first section. Furthermore, an angle between the arrangement direction of the pole shoes and the course of the magnetization in the second section of the permanent magnet can be greater than 45 °, in particular 90 °.
  • the second portion of the permanent magnet may have a rectilinear magnetization which is perpendicular to the magnetization of the first portion of the permanent magnet.
  • the second portion of the permanent magnet has two regions whose magnetization directions are opposite to each other.
  • the permanent magnet may be formed in one or more parts.
  • first section and the second section adjoin one another in a direction which runs perpendicular to the arrangement direction of the pole shoes.
  • a stator assembly for providing a stator magnetic field and the above rotor assembly is provided, wherein the pole pieces of the rotor assembly are separated by an air gap of the stator assembly, wherein the second portion of the permanent magnet is provided at least in a region in which in an operating state of the electric machine, the direction of the
  • Stator magnetic field is opposite to the magnetization direction of the first section.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional view of an electric machine with a rotor assembly, in which the permanent magnets are arranged in a spoke arrangement; 1 shows a sectional view of the cross-sectional view of the electric machine of FIG. 1 with illustrated field lines, to illustrate the region in which demagnetization of the permanent magnet can occur;
  • FIG. 3 shows a representation of the field lines of the magnetization of the
  • Permanent magnets for use in a rotor arrangement according to a first embodiment of the invention
  • Figure 4 is an illustration of the field lines of the magnetization of a
  • Permanent magnets for use in a rotor arrangement according to a further embodiment of the invention.
  • Figure 5 is an illustration of an embodiment of a permanent magnet for use in a rotor assembly according to another embodiment of the invention.
  • FIGS. 6a and 6b show an arrangement of a plurality of permanent magnets for
  • the electric machine 1 has a cylindrical stator 2.
  • the stator 2 comprises a cylindrical stator yoke region 21, from which stator teeth 22 arranged equidistantly in the circumferential direction project radially inwardly and define with their inwardly directed ends a likewise cylindrical inner recess 3.
  • the stator teeth 22 are provided at their radially inner ends with tooth heads 23, which have an approximately circular segment-shaped, concave outer have contour.
  • the stator teeth 22 are provided with (not shown) stator coils through which a stator magnetic field can be generated when energized.
  • a likewise cylindrical rotor 4 (rotor of the electric machine) is rotatably arranged on a shaft 5 as a rotor arrangement.
  • the rotor 4 has a rotor body 41, which is provided with pole shoes 42, which are connected via webs 43 with an arranged on the shaft 5 in the return region 44.
  • the webs 43 are preferably dimensioned so that they have a sufficient mechanical stability to keep the pole pieces 42 against centrifugal and transverse forces during acceleration or deceleration of the motor and still have a cross section which is sufficiently small to that caused by the permanent magnets 7 magnetic flux through the return region 44 as low as possible.
  • the pockets 6 are arranged, in which permanent magnets 7 are received.
  • the pockets 6 extend substantially obliquely in the radial direction from approximately the outer circumference of the rotor 4 to the return region 44 of the rotor 4. In order to limit the pockets 6 in the radial direction to the outside, have the
  • Pol magnets 45 which engage over the arranged in the pockets 6 permanent magnets 7 and to keep them reliable, even against the action of centrifugal forces upon rotation of the rotor 4, in the pockets 6.
  • Such an electric machine 1 is operated, for example, by an electric motor by the stator coils are energized so that a rotating stator magnetic field is generated, which interacts with the caused by the permanent magnet 7 via the pole pieces 42 exciter magnetic field and thereby exerts a torque on the rotor 4.
  • the permanent magnets 7 are usually manufactured by pressing ferrite powder material and then sintered, wherein the ferrite material is given a magnetization anisotropy during pressing by applying a magnetic field and then magnetizing the sintered material in the direction of anisotropy.
  • the permanent magnets 7 are preferably provided cuboid, with their polar direction in the tangential direction, ie perpendicular to the interfaces between the pole pieces 42 and the pockets 6.
  • Figure 2 the magnetic field of an electric machine 1 is shown under full load. At this particular rotor position, the permanent magnet 7 shown is considerably affected by the force acting on the permanent magnet
  • Stator magnetic field loaded which is represented by the larger distance between the magnetic flux lines in the permanent magnet 7.
  • the larger distance between the magnetic flux lines corresponds to one by the action of the
  • Stator magnetic field reduced flux density which means that the permanent magnet 7 has been partially irreversibly demagnetized in this area by the stator magnetic field.
  • the demagnetization occurs in particular in a demagnetization region of the permanent magnet 7, which is marked in FIG. 2 with DM.
  • the demagnetization region is located at the air gap facing the end of the permanent magnet 7 on the direction of movement of the rotor remote from the permanent magnet 7 and extends over about one-fifth to half the radial length of the permanent magnet 7 and over a tenth to one third of its tangential width.
  • the demagnetization occurs as soon as the magnetic field strength of the stator magnetic field is sufficient to achieve a field strength in corresponding regions of the permanent magnet 7 which has an equal or greater amplitude than corresponds to the coercive force of the permanent magnet 7.
  • magnetization of the permanent magnet 7 can now be provided, as shown in FIG. A shaft 5 facing the first portion 71 of the permanent magnet 7, ie a section facing away from the air gap, a conventional rectilinear Mag- netization in a thickness direction between the pole pieces 42 facing pole faces, parallel to the arrangement direction of the permanent magnets 7 and the pole pieces 42, in the illustrated embodiment, in the tangential direction of the rotor assembly runs.
  • a second section 72 of the permanent magnet 7 facing the air gap may be formed with a two-pole Halbach magnetization.
  • the magnetization of the Halbach type is curved and causes the magnetic poles, which are in conventional permanent magnets exclusively on the opposing surfaces of the permanent magnet 7, extend over an edge on a common side surface, so that there are two magnetic pole regions directly or spaced apart are arranged.
  • the Halbach magnetization is designed so that the magnetic pole areas in the direction of the air gap, d. H. on the side facing the pole shoes, are formed. In this way, the direction of the magnetization of the permanent magnet 7 is curved in this.
  • a substantially rectilinear demagnetizing stator magnetic field which strikes the pole face 42 of the permanent magnet 7 substantially perpendicularly intersects the magnetization lines or the magnetization direction of the Halbach magnetization at an angle ⁇ of 0 ° or 180 ° is different.
  • the field lines of the demagnetizing stator magnetic field at a position A intersect the Halbach magnetization at an angle of 20 ° and at a position B at an angle of 55 °.
  • Stator magnetic field which is aligned in the direction of the Halbach magnetization, decreases with the cosine of ⁇ . It is therefore to be provided that in the demagnetization region DM, in which demagnetization of the permanent magnet 7 can occur, the direction of the magnetic field deviates as much as possible from the direction of the demagnetizing stator magnetic field so as to reduce the demagnetizing effect of the stator magnetic field.
  • Halbach magnetization for the permanent magnet 7 wherein the Halbach magnetization in the direction of the air gap, ie amplified outward in the radial direction, causes the angle between the direction of the anisotropy and the direction of the demagnetizing magnetic field in the area, in which a demagnetization can occur is as large as possible, so that the demagnetizing component is significantly reduced and no longer sufficient to demagnetize the permanent magnet 7.
  • FIG. 4 for a narrower permanent magnet 7 in comparison to the permanent magnet 7 of FIG. 3, it is shown that the demagnetizing stator magnetic field intersects the field lines of the magnetization at a larger angle and thus the degree of demagnetization in the demagnetization region DM can be further reduced.
  • the use of a Halbach magnetization at the air gap directed end of the permanent magnet 7 on a surface between the Hauptpol vom the permanent magnet 7 is the more effective, the smaller the tangential width of the permanent magnet 7.
  • the Halbach magnetization may be semicircular in the second portion of the permanent magnet 7, wherein the first portion of the permanent magnet 7 may be provided with a collimated magnetization.
  • FIG. 5 illustrates a possibility for forming the magnetization of a permanent magnet 7 for use in the rotor arrangement of FIG.
  • a Halbach magnetization at both ends of the permanent magnet 7, ie at the end facing the air gap and at the shaft 5 associated end
  • the insertion of the permanent magnets 7 in the pockets 6 of the rotor assembly is simplified because not on the expression of Magnetization at the ends of the permanent magnet 7 and thus must be paid to its orientation during insertion into the rotor assembly.
  • FIGS. 6a and 6b show a further embodiment of the rotor arrangement.
  • the rotor arrangement provides in each pocket 6 an arrangement of a plurality of partial magnets, which form the permanent magnet 7.
  • a first partial magnet 73 arranged near the shaft 5 has a parallel magnetization in the poling direction, ie in the direction of arrangement of the pole shoes 42 or in the tangential direction in the case of the electrical machine of the described embodiments.
  • a second partial magnet 74 facing the air gap is magnetized in such a way that its direction of magnetization runs at right angles to the direction of the magnetization of the first partial magnet 73.
  • the direction of the magnetization runs in the direction of the air gap.
  • the second partial magnet 74 is designed as a single magnet, with pole regions provided on its end face 76 directed toward the air gap, with a north pole and a south pole, which are aligned in the arrangement direction.
  • the second partial magnet 74 is formed in two parts, wherein the magnetic parts of the second partial magnet 74 are arranged side by side in the arrangement direction, aligned with their pole faces in the direction of the air gap and polar oppositely poled. In both cases, arrangements result in which the direction of the magnetization of the
  • Partial magnets 73, 74 forms perpendicular to the direction of the magnetization of the first part of the magnet 73 and on the end face of the permanent magnet assembly thus formed both a south pole and a north pole.
  • a separating layer 75 which may be formed soft magnetic, so that it serves as a guide to the magnetic flux from the two poles of the second partial magnet 74th or the magnetic parts of the second partial magnet 74 to connect.
  • the separating layer 75 may also be formed as a hard magnetic layer.
  • the demagnetizing stator magnetic field striking substantially laterally on the second partial magnets 74 can not cause demagnetization in the second partial magnet 74 or its magnetic parts.
  • An advantage of the arrangement of FIGS. 6a and 6b is furthermore that the second partial magnets 74 also cause a magnetic excitation field in the insectschuhregion in the air gap. This additional field may create a more sinusoidal air gap field, which may result in reducing vibration and noise, and further reduce the iron losses in the stator 2.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Läuferanordnung (4) für eine elektrische Maschine (1), umfassend: - einen Permanentmagneten (7); und - mindestens zwei Polschuhe (42), zwischen denen der Permanentmagnet (7) angeordnet ist, so dass dessen Magnetisierungsrichtung in einem ersten Abschnitt (71) des Permanentmagneten (7) im Wesentlichen in Anordnungsrichtung der Polschuhe (42) ausgerichtet ist; wobei in einem zweiten Abschnitt (72) des Permanentmagneten (7) die Magnetisierungsrichtung von der Anordnungsrichtung abweicht.

Description

Beschreibung Titel
Läuferanordnung für eine permanentmagneterregte elektrische Maschine
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft permanentmagneterregte elektrische Maschine, insbesondere eine Läuferanordnung für eine derartige elektrische Maschine.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Läuferanordnungen bekannt, die Polschuhe aufweisen, die ein durch Permanentmagnete erzeugtes Erregermagnetfeld in Richtung eines Luftspalts zu einer Statoranordnung bereitstellen. In einer Variante zur Anordnung der Permanentmagnete in der Läuferanordnung werden die Permanentmagnete mit ihrer Polrichtung parallel zur Bewegungsrichtung des Läufers angeordnet, so dass sich die Polschuhe der Läuferanordnung zwischen den Permanentmagneten befinden. In den Polschuhen wird das von den Permanentmagneten abgegebene Magnetfeld in Richtung des Luftspalts umgelenkt.
Derartige Typen von Läuferanordnungen werden heutzutage in vielen permanentmagneterregten elektrischen Maschinen verwendet, beispielsweise bei der Lenkunterstützung und in Kühleinrichtungen. Dabei werden im Wesentlichen quaderförmige Permanentmagnete verwendet, die einfach und mit geringem Aufwand herzustellen sind, wobei eine Magnetisierungsanisotropie und eine dazu gleichgerichtete Magnetisierungsrichtung in Richtung der Bewegung des Läufers ausgerichtet sind.
In rotatorischen elektrischen Maschinen wird eine derartige Anordnung der Permanentmagnete als Speichenanordnung bezeichnet. Die Polrichtung der Permanentmagnete verläuft in tangentialer Richtung. Ein Vorteil von derartigen Läuferanordnungen besteht darin, dass durch eine geeignete Dimensionierung eine Luftspaltflussdichte erreicht werden kann, die größer als die Remanenzflussdichte der eingesetzten Permanentmagnete ist. Da die Luftspaltflussdichte maßgeblich die Drehmomentdichte der elektrischen Maschine bestimmt, können dadurch leistungsfähige elektrische Maschinen mit relativ hohen Drehmomentdichten aufgebaut werden.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Anzahl der Permanentmagnete in dem Rotor so gewählt ist, dass deren radiale Breite größer ist als die tangentiale Breite der Polschuhe zwischen den Permanentmagneten. Diese Anordnung konzentriert den magnetischen Fluss in den Luftspalt, um eine Luftspaltflussdichte zu erzeugen, die höher ist als die Remanenzflussdichte der Permanentmagnete.
Die obigen Läuferanordnungen werden oftmals in Kombination mit Permanentmagneten aus einfachem, kostengünstigem Magnetmaterial aufgebaut, insbesondere Magnetmaterial ohne Seltene-Erden-Verbindungen und mit relativ geringer Remanenzflussdichte, wie beispielsweise Permanentmagnete aus gesinterten Ferritmaterialien der sechsten Generation.
Permanentmagnete aus gesinterten Ferritmaterialien weisen darüber hinaus eine relativ geringe Koerzitivfeldstärke auf, so dass bei einem gegenläufigen Magnetfeld ausreichend hoher Feldstärke die Gefahr einer Entmagnetisierung besteht. Um diese relativ geringe Koerzitivität zu kompensieren, sind die Permanentmagnete in der Richtung ihrer Materialanisotropie und ihrer Magnetisierung relativ dick ausgeführt, um sie widerstandsfähiger gegen eine Entmagnetisierung durch das Statorfeld der elektrischen Maschine zu machen.
Weiterhin sind bei der oben beschriebenen Läuferanordnung zwei Luftspalte in dem Flusspfad eines Permanentmagneten vorgesehen. Um trotzdem eine hohe Luftspaltflussdichte und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen eine Entmagnetisierung zu erreichen, werden daher die derart angeordneten Permanentmagnete häufig doppelt so dick (in Polungsrichtung) ausgebildet wie Permanentmagnete aus Ferritmaterial mit ihrer Polrichtung parallel zum Luftspaltmagnetfeld, die konstruktionsbedingt nur einen Luftspalt in ihrem jeweiligen Flusspfad aufweisen. Insbesondere bei rotatorischen elektrischen Maschinen mit einem bestimmten Rotordurchmesser und einer vorgegebenen Polzahl führt bei einer
Speichenanordnung jede Erhöhung der Dicke der Permanentmagnete in tangentialer Richtung (Polungsrichtung) zu einer Verringerung ihrer maximal möglichen radialen Länge. Diese Beschränkung der radialen Länge der Permanentmagnete begrenzt den durch die Permanentmagnete bereitstellbaren Fluss und verringert dadurch die Luftspaltflussdichte und die Drehmomentdichte der elektrischen Maschine. Auch führt jegliche Erhöhung der Dicke der Permanentmagnete zu einer Verringerung der Winkelabdeckung der einzelnen Polschuhe an dem Luftspalt der elektrischen Maschine und kann ebenfalls dazu führen, dass dieser Winkel kleiner ist als sein Optimum.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Läuferanordnung zur Verfügung zu stellen, bei der bei gleicher Dicke von zwischen benachbarten Polschuhen angeordneten Permanentmagneten in Polungsrichtung, insbesondere bei rotatorischen elektrischen Maschinen in tangentialer Richtung, die Gefahr bzw. Tendenz einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete durch Einwirken des Statormagnetfelds verringert wird. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die erforderliche Dicke des Permanentmagneten so gering wie mög- lieh vorzusehen, ohne die Gefahr einer Entmagnetisierung zu erhöhen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die Läuferanordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch die elektrische Maschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Läuferanordnung für eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- einen Permanentmagneten; und
- mindestens zwei Polschuhe, zwischen denen der Permanentmagnet angeordnet ist, so dass dessen Magnetisierungsrichtung in einem ersten Abschnitt des Permanentmagneten im Wesentlichen in Anordnungsrichtung der Polschuhe ausgerichtet ist; wobei in einem zweiten Abschnitt des Permanentmagneten die Magnetisierungsrichtung von der Anordnungsrichtung abweicht.
Eine Idee der obigen Läuferanordnung besteht darin, den Permanentmagneten zumindest in einem Entmagnetisierungsbereich, in dem eine Entmagnetisierung des Permanentmagneten durch Einwirken eines Statormagnetfelds einer Statoranordnung auftreten kann, mit einer von der Anordnungsrichtung abweichenden Magnetisierungsrichtung zu versehen.
Auf diese Weise wird erreicht, dass die Magnetisierung des Permanentmagneten nicht mehr vollständig, sondern nur noch anteilig dem entmagnetisierenden Statormagnetfeld entgegensteht. Da die Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten in dem Entmagnetisierungsbereich von der zu dem entgegenstehenden Statormagnetfeld parallelen Richtung abweicht bzw. quer bzw. schräg zu dieser verläuft wird eine entsprechend verringerte Entmagnetisierung bewirkt. Dadurch ist es möglich, dass in dem Entmagnetisierungsbereich, in dem bei zulässigen Statormagnetfeldern eine unumkehrbare Entmagnetisierung auftreten kann, der Effekt der Entmagnetisierungswirkung abgeschwächt wird. Insbesondere wird dazu der Permanentmagnet so aufgebaut, dass in dem Entmagnetisierungsbereich bzw. den Entmagnetisierungsbereichen eine Richtungsänderung der Magnetisierung vorgesehen wird.
Zur Unterstützung und Formung des Luftspaltmagnetfeldes ist es zweckmäßig, dass die Magnetisierungsrichtung zumindest teilweise in Richtung des Luftspalts ausgelenkt ist. Dadurch ist es möglich, dass die umgelenkte Magnetisierung des Permanentmagneten zusätzlich zum Luftspaltfluss beiträgt.
Weiterhin kann der Verlauf der Magnetisierung in dem zweiten Abschnitt des Permanentmagneten einer Halbach-Magnetisierung entsprechen, so dass sich Polflächen über mehrere Seiten des Permanentmagneten erstrecken.
Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Abschnitt an zwei gegenüberliegenden Enden des Permanentmagneten in einer Erstreckungsrichtung quer zur Magnetisierungsrichtung des ersten Abschnitts vorgesehen ist. Weiterhin kann ein Winkel zwischen der Anordnungsrichtung der Polschuhe und dem Verlauf der Magnetisierung im zweiten Abschnitt des Permanentmagneten größer als 45°, insbesondere 90°, sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der zweite Abschnitt des Permanentmagneten eine geradlinige Magnetisierung aufweisen, die senkrecht zur Magnetisierung des ersten Abschnitts des Permanentmagneten verläuft.
Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Abschnitt des Permanentmagneten zwei Bereiche aufweist, deren Magnetisierungsrichtungen zueinander gegenläufig sind.
Der Permanentmagnet kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt in einer Richtung aneinander angrenzen, die senkrecht zur Anordnungsrichtung der Polschuhe verläuft.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine mit einer
Statoranordnung zum Bereitstellen eines Statormagnetfelds und der obigen Läuferanordnung vorgesehen, wobei die Polschuhe der Läuferanordnung durch einen Luftspalt von der Statoranordnung getrennt sind, wobei der zweite Abschnitt des Permanentmagneten zumindest in einem Bereich vorgesehen ist, in dem bei einem Betriebszustand der elektrischen Maschine die Richtung des
Statormagnetfelds gegenläufig zu der Magnetisierungsrichtung des ersten Abschnitts ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine elektrische Maschine mit einer Läuferanordnung, bei der die Permanentmagnete in einer Speichenanordnung angeordnet sind; eine Ausschnittsdarstellung der Querschnittsansicht der elektrischen Maschine der Figur 1 mit dargestellten Feldlinien zur Veranschaulichung des Bereichs, in dem eine Entmagnetisierung des Permanentmagneten auftreten kann;
Figur 3 eine Darstellung der Feldlinien der Magnetisierung des
Permanentmagneten zum Einsatz in einer Läuferanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 4 eine Darstellung der Feldlinien der Magnetisierung eines
Permanentmagneten zum Einsatz in einer Läuferanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfin- dung;
Figur 5 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Permanentmagneten zum Einsatz in einer Läuferanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
Figuren 6a und 6b eine Anordnung von mehreren Permanentmagneten zur
Verwendung in einer Läuferanordnung der elektrischen Maschine der Figur 1 .
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer herkömmlichen rotatorischen, permanentmagneterregten Innenläufermaschine 1 . Die elektrische Maschine 1 weist einen zylinderförmigen Stator 2 auf. Der Stator 2 umfasst einen zylinderförmigen Statorrückschlussbereich 21 , von dem äquidistant in Umfangs- richtung angeordnete Statorzähne 22 radial nach innen gerichtet abstehen und mit ihren nach innen gerichteten Enden eine ebenfalls zylinderförmige Innenaus- nehmung 3 definieren. Die Statorzähne 22 sind an ihren radial inneren Enden mit Zahnköpfen 23 versehen, die eine etwa kreissegmentförmige, konkave Außen- kontur aufweisen. Die Statorzähne 22 sind mit (nicht gezeigten) Statorspulen versehen, durch die bei Bestromung ein Statormagnetfeld erzeugt werden kann.
In der Innenausnehmung 3 ist als Läuferanordnung ein ebenfalls zylinderförmiger Rotor 4 (Läufer der elektrischen Maschine) drehbeweglich an einer Welle 5 angeordnet. Der Rotor 4 weist einen Rotorkörper 41 auf, der mit Polschuhen 42 versehen ist, die über Stege 43 mit einem an der Welle 5 angeordneten Rückschlussbereich 44 verbunden sind.
Die Stege 43 sind vorzugsweise so dimensioniert, dass sie eine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen, um die Polschuhe 42 gegen Zentrifugal- und bei Beschleunigung oder Abbremsen des Motors Querkräfte zu halten und trotzdem einen Querschnitt aufweisen der ausreichend klein ist, um den durch die Permanentmagnete 7 bewirkten magnetischen Fluss durch den Rückschlussbereich 44 möglichst gering zu halten. Insbesondere ist es erforderlich, dass der Teil des magnetischen Flusses der Permanentmagnete 7, der durch die Stege 43 fließt, ausreicht, um die magnetische Flussdichte in den Stegen 43 in einer Sättigung zu halten.
Zwischen den Polschuhen 42 sind Taschen 6 angeordnet, in denen Permanentmagnete 7 aufgenommen sind. Die Taschen 6 erstrecken sich im Wesentlichen länglich in radialer Richtung von annähernd dem Außenumfang des Rotors 4 zu dem Rückschlussbereich 44 des Rotors 4. Um die Taschen 6 in radialer Richtung nach außen zu begrenzen, weisen die
Polschuhe 42 Überstände 45 auf, die die in den Taschen 6 angeordneten Permanentmagnete 7 übergreifen und diese zuverlässig, auch gegen das Wirken von Zentrifugalkräften bei Drehung des Rotors 4, in den Taschen 6 zu halten. Eine derartige elektrische Maschine 1 wird beispielsweise elektromotorisch betrieben, indem die Statorspulen so bestromt werden, dass ein umlaufendes Statormagnetfeld erzeugt wird, das mit dem von den Permanentmagneten 7 über die Polschuhe 42 bewirkten Erregermagnetfeld wechselwirkt und dadurch ein Drehmoment auf den Rotor 4 ausübt. Die Permanentmagnete 7 werden üblicherweise durch Pressen von Ferritpulvermaterial hergestellt und anschließend gesintert, wobei dem Ferritmaterial während dem Pressen durch Beaufschlagen einem Magnetfeld eine Magnetisierungsanisotropie verliehen wird und anschließend eine Magnetisierung des ge- sinterten Materials in der Richtung der Anisotropie erfolgt. Die Permanentmagnete 7 werden vorzugsweise quaderförmig vorgesehen, mit ihrer Polrichtung in tangentialer Richtung, d. h. senkrecht zu den Grenzflächen zwischen den Polschuhen 42 und den Taschen 6. In Figur 2 ist das magnetische Feld einer elektrischen Maschine 1 unter Volllast dargestellt. Bei dieser bestimmten Rotorposition ist der dargestellte Permanentmagnet 7 erheblich durch das auf den Permanentmagneten einwirkende
Statormagnetfeld belastet, was durch den größeren Abstand zwischen den magnetischen Flusslinien im Permanentmagnet 7 dargestellt ist. Der größere Abstand zwischen den magnetischen Flusslinien entspricht einer durch Einwirken des
Statormagnetfelds verringerten Flussdichte, was bedeutet, dass der Permanentmagnet 7 in diesem Bereich teilweise unumkehrbar durch das Statormagnetfeld entmagnetisiert worden ist. Die Entmagnetisierung tritt insbesondere in einem Entmagnetisierungsbereich des Permanentmagneten 7 auf, der in Figur 2 mit DM gekennzeichnet ist. Der Entmagnetisierungsbereich liegt am dem Luftspalt zugewandten Ende des Permanentmagneten 7 auf der der Bewegungsrichtung des Läufers abgewandten Seite des Permanentmagneten 7 und erstreckt sich über etwa ein Fünftel bis zur Hälfte der radialen Länge des Permanentmagneten 7 sowie über ein Zehntel bis ein Drittel dessen tangentialer Breite. Die Entmagnetisierung tritt auf, sobald die magnetische Feldstärke des Statormagnetfelds ausreichend ist, um in entsprechenden Bereichen des Permanentmagneten 7 eine Feldstärke zu erreichen, die eine gleiche oder größere Amplitude hat als der Koerzitivfeldstärke des Perma- nentmagneten 7 entspricht.
Um die Entmagnetisierung in dem Entmagnetisierungsbereich DM zu vermeiden oder die Tendenz dazu zu verringern, kann nun eine Magnetisierung des Permanentmagneten 7 vorgesehen werden, wie sie in Figur 3 dargestellt ist. Ein der Welle 5 zugewandter erster Abschnitt 71 des Permanentmagneten 7, d. h. ein dem Luftspalt abgewandter Abschnitt, kann eine herkömmliche geradlinige Mag- netisierung in einer Dickenrichtung zwischen den den Polschuhen 42 zugewandten Polflächen aufweisen, die parallel zur Anordnungsrichtung der Permanentmagnete 7 und der Polschuhe 42, im dargestellten Ausführungsbeispiel in tangentialer Richtung der Läuferanordnung, verläuft.
Jedoch kann ein dem Luftspalt zugewandter zweiter Abschnitt 72 des Permanentmagneten 7 mit einer zweipoligen Halbach-Magnetisierung ausgebildet sein. Die Magnetisierung vom Halbach-Typ verläuft gekrümmt und bewirkt, dass sich die Magnetpole, die sich bei herkömmlichen Permanentmagneten ausschließlich auf den einander gegenüberliegenden Flächen des Permanentmagneten 7 befinden, über eine Kante auf eine gemeinsame Seitenfläche erstrecken, so dass dort zwei Magnetpolbereiche unmittelbar oder beabstandet nebeneinander angeordnet sind. Die Halbach-Magnetisierung ist so ausgebildet, dass die Magnetpolbereiche in Richtung des Luftspalts, d. h. auf den den Polschuhen zugewand- ten Seiten, ausgebildet sind. Auf diese Weise verläuft die Richtung der Magnetisierung des Permanentmagneten 7 in diesem gekrümmt.
Aufgrund der gekrümmten Ausbildung der Magnetisierung schneidet ein im Wesentlichen geradliniges entmagnetisierendes Statormagnetfeld, das im Wesentli- chen senkrecht auf die den Polschuhen 42 zugewandte Polfläche des Permanentmagneten 7 auftrifft, die Magnetisierungslinien bzw. die Magnetisierungsrichtung der Halbach-Magnetisierung mit einem Winkel Θ, der von 0° bzw. 180° verschieden ist. Im Falle des Permanentmagneten 7 der Figur 3 schneiden die Feldlinien des entmagnetisierenden Statormagnetfelds an einer Position A die Halbach- Magnetisierung unter einem Winkel von 20° und an einer Position B unter einem Winkel von 55°. Der Vorteil der Halbach-Magnetisierung besteht darin, dass der Permanentmagnet 7 nur entlang seiner Richtung der Magnetisierung entmagne- tisiert werden kann und die Komponente des entmagnetisierenden
Statormagnetfelds, die in der Richtung der Halbach-Magnetisierung ausgerichtet ist, mit dem Cosinus von Θ abnimmt. Daher ist es vorzusehen, dass in dem Ent- magnetisierungsbereich DM, in dem eine Entmagnetisierung des Permanentmagneten 7 auftreten kann, die Richtung des Magnetfelds möglichst stark von der Richtung des entmagnetisierenden Statormagnetfelds abweicht, um so die entmagnetisierende Wirkung des Statormagnetfelds zu reduzieren. Eine Verwendung der Halbach-Magnetisierung für den Permanentmagneten 7, wobei sich die Halbach-Magnetisierung in Richtung des Luftspalts, d. h. in radialer Richtung nach außen verstärkt, bewirkt, dass der Winkel zwischen der Richtung der Anisotropie und der Richtung des entmagnetisierenden Magnetfelds in dem Bereich, in dem eine Entmagnetisierung auftreten kann, möglichst groß wird, so dass sich die entmagnetisierende Komponente deutlich verringert und nicht mehr ausreicht, um den Permanentmagneten 7 zu entmagnetisieren.
In Figur 4 ist für einen im Vergleich zu dem Permanentmagneten 7 der Figur 3 schmaleren Permanentmagneten 7 gezeigt, dass das entmagnetisierende Statormagnetfeld die Feldlinien der Magnetisierung unter einem größeren Winkel schneiden und damit der Grad der Entmagnetisierung im Entmagnetisierungsbe- reich DM noch weiter verringert werden kann. Somit ist die Verwendung einer Halbach-Magnetisierung an dem zum Luftspalt gerichteten Ende des Permanentmagneten 7 auf einer Fläche zwischen den Hauptpolflächen des Permanentmagneten 7 umso effektiver, je geringer die tangentiale Breite des Permanentmagneten 7 ist. Bei einem Breiten/Dicken-Verhältnis w/t >2 können die Kennlinien der Halbach-Magnetisierung nahezu ringsegmentförmig sein, um den maximalen Vorteil bezüglich des Vermeidens einer Entmagnetisierung zu erreichen. Somit kann bei w/t-Verhältnissen von größer als 2 die Halbach-Magnetisierung in dem zweiten Abschnitt des Permanentmagneten 7 halbkreisförmig verlaufen, wobei der erste Abschnitt des Permanentmagneten 7 mit einer parallel gerichteten Magnetisierung versehen sein kann.
In Figur 5 ist eine Möglichkeit für eine Ausbildung der Magnetisierung eines Permanentmagneten 7 zur Verwendung in der Läuferanordnung der Figur 1 dargestellt. Durch das Vorsehen einer Halbach-Magnetisierung an beiden Enden des Permanentmagneten 7, d. h. an dem dem Luftspalt zugewandten Ende und an dem der Welle 5 zugeordneten Ende, ist das Einsetzen der Permanentmagnete 7 in die Taschen 6 der Läuferanordnung vereinfacht, da nicht auf die Ausprägung der Magnetisierung an den Enden des Permanentmagneten 7 und damit auf dessen Orientierung beim Einsetzen in die Läuferanordnung geachtet werden muss. In den Figuren 6a und 6b ist eine weitere Ausführungsform der Läuferanordnung dargestellt. Die Läuferanordnung sieht in jeder Tasche 6 eine Anordnung von mehreren Teilmagneten vor, die den Permanentmagneten 7 ausbilden. Ein erster nahe der Welle 5 angeordneter Teilmagnet 73 weist eine parallele Magnetisie- rung in Polungsrichtung auf, d. h. in Anordnungsrichtung der Polschuhe 42 bzw. in tangentialer Richtung bei der elektrischen Maschine der beschriebenen Ausführungsformen. Ein zweiter dem Luftspalt zugewandter Teilmagnet 74 ist dagegen so magnetisiert, dass dessen Richtung der Magnetisierung rechtwinklig zur Richtung der Magnetisierung des ersten Teilmagneten 73 verläuft. Dadurch ver- läuft die Richtung der Magnetisierung in Richtung des Luftspalts. In der Ausführungsform der Figur 6a ist der zweite Teilmagnet 74 als einzelner Magnet ausgebildet, mit an seiner zum Luftspalt gerichteten Stirnseite 76 vorgesehenen Polbereichen mit einem Nordpol und einem Südpol, die in Anordnungsrichtung ausgerichtet sind.
In der Ausführungsform der Figur 6b ist der zweite Teilmagnet 74 zweiteilig ausgebildet, wobei die Magnetteile des zweiten Teilmagneten 74 in Anordnungsrichtung nebeneinander angeordnet sind, mit ihren Polflächen in Richtung des Luftspalts ausgerichtet und zueinander entgegengesetzt gepolt sind. In beiden Fällen ergeben sich Anordnungen, bei denen die Richtung der Magnetisierung der
Teilmagnete 73, 74 senkrecht zur Richtung der Magnetisierung des ersten Teilmagneten 73 und auf der Stirnfläche der so gebildeten Permanentmagnetanordnung sowohl einen Südpol als auch einen Nordpol ausbildet. Zwischen den zweiten Teilmagneten 74 bzw. den beiden zweiten Teilmagneten 74 und den ersten Teilmagneten 73 kann eine Trennschicht 75 vorgesehen sein, die weichmagnetisch ausgebildet sein kann, so dass diese als eine Führung dient, um den magnetischen Fluss von den zwei Polen des zweiten Teilmagneten 74 bzw. der Magnetteile des zweiten Teilmagneten 74 zu verbinden. Alterna- tiv kann die Trennschicht 75 auch als hartmagnetische Schicht ausgebildet sein.
Durch den Verlauf der Richtung der Magnetisierung in dem zweiten Teilmagneten 74 kann das im Wesentlichen seitlich auf die zweiten Teilmagnete 74 auftreffende entmagnetisierende Statormagnetfeld keine Entmagnetisierung in dem zweiten Teilmagneten 74 bzw. deren Magnetteile bewirken. Ein Vorteil der Anordnung der Figuren 6a und 6b besteht weiterhin darin, dass die zweiten Teil- magnete 74 auch ein magnetisches Erregerfeld in der Zwischenpolschuhregion in dem Luftspalt bewirken. Dieses zusätzliche Feld kann ein sinusförmigeres Luftspaltfeld erzeugen, das zum Verringern von Vibrationen und Geräuschentwicklungen führen kann, und weiterhin die Eisenverluste in dem Stator 2 verrin- gern.

Claims

Ansprüche
1 . Läuferanordnung (4) für eine elektrische Maschine (1 ), umfassend:
- einen Permanentmagneten (7); und
- mindestens zwei Polschuhe (42), zwischen denen der Permanentmag- net (7) angeordnet ist, so dass dessen Magnetisierungsrichtung in einem ersten Abschnitt (71 ) des Permanentmagneten (7) im Wesentlichen in Anordnungsrichtung der Polschuhe (42) ausgerichtet ist;
wobei in einem zweiten Abschnitt (72) des Permanentmagneten (7) die Magnetisierungsrichtung von der Anordnungsrichtung abweicht.
2. Läuferanordnung (4) nach Anspruch 1 , wobei der Verlauf der Magnetisierung in dem zweiten Abschnitt (72) des Permanentmagneten (7) einer Halbach-Magnetisierung entspricht, so dass sich Polflächen über mehrere Seiten des Permanentmagneten (7) erstrecken.
3. Läuferanordnung (4) nach Anspruch 1 , wobei zweite Abschnitte (72) an zwei gegenüberliegenden Enden des Permanentmagneten (7) in einer Erstreckungsrichtung quer zur Magnetisierungsrichtung des ersten Abschnitts (71 ) vorgesehen sind.
4. Läuferanordnung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Winkel zwischen der Anordnungsrichtung der Polschuhe (42) und dem Verlauf der Magnetisierung im zweiten Abschnitt des Permanentmagneten (7) größer als 45°, insbesondere 90° ist.
5. Läuferanordnung (4) nach Anspruch 1 , wobei der zweite Abschnitt (72) des Permanentmagneten (7) eine geradlinige Magnetisierung aufweist, die senkrecht zur Magnetisierung des ersten Abschnitts (71 ) des Permanentmagneten (7) verläuft.
6. Läuferanordnung (4) nach Anspruch 5, wobei der zweite Abschnitt (72) des Permanentmagneten (7) zwei Bereiche aufweist, deren Magnetisierungsrichtungen zueinander gegenläufig sind.
7. Läuferanordnung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Permanentmagnet (7) mehrteilig ausgebildet ist.
8. Läuferanordnung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste Abschnitt (71 ) und der zweite Abschnitt (72) in einer Richtung aneinander angrenzen, die senkrecht zur Anordnungsrichtung der Polschuhe (42) verläuft.
9. Läuferanordnung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Permanentmagnete (7) in Radialrichtung länger ausgebildet ist als in Tan- gentialrichtung, und die Permanentmagnete (7) insbesondere
speichenförmig im Rotor angeordnet sind, vorzugsweise in radial nach außen offenen Taschen.
10. Elektrische Maschine (1 ) mit einer Statoranordnung (2) zum Bereitstellen eines Statormagnetfelds und einer Läuferanordnung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Polschuhe (42) der Läuferanordnung (4) durch einen Luftspalt (3) von der Statoranordnung (2) getrennt sind, wobei der zweite Abschnitt (72) des Permanentmagneten (7) zumindest in einem Bereich vorgesehen ist, in dem bei einem Betriebszustand der elektrischen Maschine (1 ) die Richtung des Statormagnetfelds zu der Magnetisierungsrichtung des ersten Abschnitts (71 ) gegenläufig ist.
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